如何探测宇宙引力波(2)

　　2引力波的产生
　　
　　正如加速的带电粒子产生电磁波，加速的质量则会产生引力波。但是与电磁波的偶极产生机制不同，引力波是四极辐射，也就是物质分布的能动张量的四极矩随时间变化产生引力波。
　　
　　引力波的源大致可以分为4类 :1）短时存在并已经知悉的源，如致密双星的并合系统（图3），包括中子星-中子星，中子星-黑洞，黑洞-黑洞；2）短时存在但未知悉的源，如非对称的超新星爆发；3）长时存在并知悉的源，如非对称的自旋中子星；4）长时存在并产生随机引力波的源，如宇宙早期暴涨时时空的量子涨落产生原初引力波。
　　 　　
　　最有希望被激光干涉实验探测到的源是第1类。根据脉冲双星统计可以粗略估算并合事件发生的概率，在1个典型的星系中，每1万年发生一次中子星-中子星并合事件，每30万年发生一次中子星-黑洞并合事件，每250万年发生一次黑洞-黑洞并合事件。因此，地面探测器必须能记录至少包含千万个星系的空间体积内的并合事件，这相当于大约几百兆秒差距的体积半径。
　　
　　3为什么探测引力波？
　　
　　1915年爱因斯坦提出了广义相对论，第2年就预言了引力波的存在。尽管泰勒（J. Taylor）和赫尔斯（R. Hulse）发现的双星系统PSR1913+16的轨道周期变化可以由引力辐射给出很好的解释，但这只是引力波存在的间接证据，而他们获得1993年的诺贝尔物理学奖的理由并不是直接证明了引力波的存在[2].经过了整整一个世纪之后，美国科学家宣布他们直接探测到了引力波。引力波的发现验证了广义相对论的预言，将会促进引力量子化的研究。几百年来天文学的发现主要靠电磁波的测量，即从射电波段到伽马射线等观测手段来认识宇宙。引力波的发现会开启探索宇宙的新窗口，引领人类进入引力波天文学的新时代。
　　
　　致密双星并合系统的质量可以由波形的形状来确定，从而确定到该系统的光度距离。像Ia型超新星一样，遥远的引力波源也可以作为标准烛光，用来测量宇宙的膨胀历史。随着引力波探测精度的提高，可以用以验证广义相对论，了解黑洞的并合过程，理解中子星的物态方程，研究宇宙的物质分布和大尺度结构的形成过程等。
　　
　　4如何探测引力波？
　　
　　当引力波经过时，在引力波传播方向的垂直平面内的时空会引起伸缩变形，从而引起自由检验粒子之间距离的伸缩，激光干涉引力波探测实验的探测原理就是通过激光干来探测臂长距离的变化。
　　
　　如图4所示，引力波通过探测器的前半个周期，一个臂被拉长，另一个成直角的臂缩短，在后半个周期刚好相反。由于引力波有两个独立的极化方向，从而可以确定引力波源的方向。只有两个不同地点的探测器同时探测到同一引力波信号，才可以确定引力波源距探测器的距离。另外，引力波源的质量由引力波的波形确定。
　　 　　
　　由于天文事件产生的引力波非常弱，探测引力波非常困难。典型的致密双星并合系统产生的引力波振幅为10-21,对于一个臂长4 km的探测器，通过的引力波引起的臂长变化为10-18m.若让激光在臂内往返100次，就可以增加光路的有效长度100倍，大大提高了探测器的灵敏度。地面激光干涉探测实验的敏感频段大约从几十到几百赫兹，而空间激光干涉探测器可以探测毫赫兹的低频引力波。在引力波探测实验的数据分析中，采用了“匹配滤波”技术提高信噪比，就是预先数值模拟出引力波源产生的波形，把预言的波形作为模板进行数据分析[3].“匹配滤波”技术可以在既定硬件灵敏度的基础上提高引力波探测能力约100倍，付出的代价是大大增加了数值分析的参数空间。
　　
　　除了激光干涉探测实验外，可以利用脉冲星计时阵列来探测纳赫兹的低频引力波。毫秒脉冲星能给出非常稳定的精确的周期信号，通过的引力波能改变脉冲星与地球间的距离，从而改变了接收到的脉冲星信号，达到测量引力波的目的（图5）[4].
　　 　　
　　对于宇宙早期暴涨过程中产生的原初引力波，由于宇宙的红移，很难直接探测到。幸运的是，原初引力波能引起宇宙微波背景辐射（CMB）的B模极化，因此，可以通过探测CMB的B模极化来探测原初引力波。